獨柱墩曲線梁橋的減隔震分析與研究

孔令俊，金 杰

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

隨著城市立體交通的發(fā)展，人們對橋梁的功能和美觀提出了更多的要求，這就使得曲線梁橋的應(yīng)用變得更加的普遍[1]。1996年，SINGH[2]指出曲線梁橋與直線梁橋的一個明顯的區(qū)別就是按等效直線梁橋設(shè)計的曲線梁橋在振動中的柔度會增加。1997年，DESROCHES 和FENVES[3]通過一個三維曲線梁橋模型研究，比較了一致激勵和多點激勵下曲線梁橋地震反應(yīng)的區(qū)別。與傳統(tǒng)的采用普通支座的無隔震曲線梁橋相比，隔震曲線梁橋地震響應(yīng)特性及分析過程有很大的差異[4]。研究減隔震支座對曲線梁橋的線性、非線性和彈塑性動力反應(yīng)的影響機理，已成為現(xiàn)代曲線梁橋抗震體系發(fā)展亟需解決的問題。

本文根據(jù)減隔震曲線梁橋的設(shè)計特點，采用鉛芯橡膠減隔震支座，通過Midas civil 軟件，對減隔震曲線梁橋進行了雙向地震動時程分析，得到了相關(guān)的結(jié)論供設(shè)計者參考。

1 鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，鉛芯橡膠支座在水平往復(fù)循環(huán)荷載下具有良好的滯回性能，能夠滿足地震作用時水平荷載往復(fù)作用的要求。

圖1 鉛芯橡膠支座

2 橋梁概況

該橋為四跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，跨度為28 m+34×2 m+28 m，全長124 m。根據(jù)GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，本區(qū)地震抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2g；根據(jù)《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》（2001）和該橋的場地類別，設(shè)計加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

圖2 為該橋的計算模型。該橋位于R=280 m 的左扁平曲線上，橋墩均按法線方向布設(shè)，橋墩為變高度橋墩，高度為6～7 m。計算過程中，3、4、5、6 和7墩采用鉛芯橡膠支座，1、2、8 和9 采用普通盆式支座，并設(shè)置抗扭約束，各墩墩底均為固結(jié)。

圖2 曲線梁橋計算模型

5#墩的鉛芯橡膠支座參數(shù)為：屈服前剛度為1.16e4 kN/m，屈服力為303.2 kN，屈服后剛度與屈服前剛度比為0.15。其他墩的鉛芯橡膠支座參數(shù)為：屈服前剛度為8.3e3 kN/m，屈服力為160.3 kN，屈服后剛度與屈服前剛度比為0.15。盆式支座豎向承載力為3.0 MN，摩擦系數(shù)取0.01。

根據(jù)JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細則》規(guī)定，該橋?qū)儆贐 類非規(guī)則橋梁，應(yīng)該采用非線性時程分析方法對其進行順橋向和橫橋向地震反應(yīng)分析。對曲線梁橋進行地震反應(yīng)分析時，可分別沿相鄰兩橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進行多方向地震輸入，以確定最不利地震水平輸入方向；用曲梁單元時，只需計算一聯(lián)兩端連線（割線）和垂直割線方向進行地震輸入，本橋采用后者進行地震輸入。計算過程中，定義割線方向為順橋向，垂直割線方向為橫橋向。根據(jù)當?shù)氐卣鹁痔峁┑牡卣鸢踩栽u價報告以及地震波，對橋梁進行地震響應(yīng)分析，結(jié)果均取3 條地震波與恒載組合作用下的包絡(luò)值。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 橋梁墩底內(nèi)力

對減隔震橋梁分別輸入E1 和E2 地震作用的地震波進行時程分析，取3 條地震波與恒載組合作用下的包絡(luò)值，得到順橋向和橫橋向的墩底內(nèi)力。E1 地震作用下橋梁墩底內(nèi)力、E2 地震作用下橋梁墩底內(nèi)力如表1 和表2 所示。

表1 E1 地震作用下橋梁墩底內(nèi)力

表2 E2 地震作用下橋梁墩底內(nèi)力

由表1 可知，在E1 地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向最大墩底剪力和彎矩出現(xiàn)在5#墩，即橋梁的獨柱墩，其最大剪力和彎矩分別達到了414.83 kN 和2486.11 kN·m，413.96 kN 和2480.93 kN·m。橋梁各墩內(nèi)力均在設(shè)計強度的彈性范圍內(nèi)；橋梁邊墩支座軸力均為受壓，未出現(xiàn)拉力。

從表2 可以看出，在E2 地震作用下，橋梁順橋向和橫橋向墩底剪力和彎矩均未超過各墩的屈服強度，滿足橋梁減隔震設(shè)計的要求，提高了橋墩的抗震性能。

3.2 橋梁墩頂位移

E2 地震作用下，對減隔震橋梁輸入順橋向和橫橋向地震波進行時程分析，得到橋梁順橋向和橫橋向的墩頂位移，如圖3 和圖4 所示。

從圖3 可以看出，在E2 地震作用下，橋梁順橋向墩頂位移最大發(fā)生在3#墩，最大墩頂位移僅為0.85 cm，最小發(fā)生在獨柱墩，即5#墩。這是由于5#墩承受的地震力較大，鉛芯橡膠支座發(fā)揮了更好的耗能作用。從圖4 可以看出，橋梁橫橋向墩頂位移最大也發(fā)生在3#墩，最大墩頂位移為0.84 cm，最小發(fā)生在9#墩。

圖3 橋梁順橋向墩頂位移

圖4 橋梁橫橋向墩頂位移

3.3 鉛芯橡膠支座滯回耗能

橋梁在E2 地震作用下，3#墩上順橋向和橫橋向的鉛芯橡膠支座滯回曲線如圖5 和圖6 所示。從圖5 和圖6 可以看出，鉛芯橡膠支座順橋向最大變形達到了28 cm，橫橋向最大達到了27 cm；E2 地震作用下，隨著地震力的增大，鉛芯逐漸進入塑性耗能階段，形成了較大的滯回環(huán)，耗散了較大的地震能量，減小了橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

圖5 橋梁順橋向鉛芯橡膠支座滯回曲線

圖6 橋梁橫橋向鉛芯橡膠支座滯回曲線

4 結(jié)論

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：①橋梁邊墩支座軸力均為受壓，未出現(xiàn)拉力；②由于鉛芯橡膠支座的減隔震作用，在E1 和E2 地震作用下，橋梁各墩底的內(nèi)力均小于橋梁的設(shè)計承載力，提高了橋梁的抗震性能；③E2 地震作用下，橋梁最大墩頂位移發(fā)生在3#墩，最大位移僅為0.85 cm；④鉛芯橡膠支座形成了較大的滯回環(huán)，發(fā)揮了較好的耗能作用。